计算机组成原理 COD 第 5 章虚拟存储器

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1 计算机组成原理 COD 第 5 章虚拟存储器 llxx@ustc.edu.cn

2 本章内容 COD4 第 5.4 节 实方式 vs 虚方式 页式虚存管理机制 TLB MMU 层次化 :TLB-Cache-Memory-Disk

3 三级存储体系结构 三级存储系统 : 缓存 主存 辅存 缓存 - 主存层次 映射 查找 读写, 替换 主存 - 辅存层次 映射 查找 读写 替换 辅助硬件 CPU 高速缓存 Cache 主存 辅助硬件和软件 辅存

4 Everything is a cache of others

5 实模式访存 : 存储器物理地址

6 虚拟存储系统 (Virtual memory) 1961 年曼彻斯特大学提出 程序要求的存储器空间越来越大 虚存 = 主存 + 辅存 例 :CPU 地址总线 64 位, 主存 4G, 磁盘 100G 多任务间的代码和数据访问保护 现代虚拟存储系统 : 将主存作为外存的缓存 虚存由硬件 (MMU) 和 OS 存储管理器共同管理 使对辅存的访问速度接近主存的速度 不同应用具有不同的地址空间和访问权限 程序的地址空间是以 0 地址起始的线性地址集合 这个空间中的地址都是相对地址, 也称为逻辑地址

7 多任务系统虚存空间划分示例 -wince

8 程序逻辑地址空间与内存物理地址空间

9 Demand Paging ( 按需分配 ) 虚实页大小相等 OS 在创建进程时, 为其建立页表和 disk 上的 VA 空间 HW translates virtual addresses to physical addresses via an OS-managed tab, the page map.

10 Backing Store (a) Paging to static swap area (b) Backing up pages dynamically 10

11 虚拟存储器技术的关键问题 访存过程 : 映射 查找 读写 替换 程序的虚空间存在于辅存中, 主存只是其镜像, 称 页框 映射 : 虚拟存储器地址空间管理方式 页式管理 : 虚存和主存都划分成固定大小的页 段式管理 : 段为程序的逻辑单位 段页式管理 段表结构 : 段名 地址 装入位 段长 访问方式 段表基址寄存器 : 指明段表的启始地址 虚存管理实现机制 : 由 MMU+OS 实现, 对应用透明 查找 TTW: 基于表进行地址变换和查找 保证不同进程的虚拟地址不会映射到相同的物理地址上 地址变换速度 :TLB(Translation Look-Aside Buffers) Page Fault: 页面失效, 缺页 决定把作业的虚拟地址空间的哪一部分装入主存, 以及放在主存的什么位置 ; 替换 : 主存空间不够时把哪一部分置换出主存

12 例 : 页式虚存, 内存, 外存 虚存页 = 内存页 = 外存扇区存储单元 ( 字 ) 地址 = 页基址 + 偏移 外存地址空间 虚拟地址空间 交换区 swap 共享页独占页 独占页 内存地址空间 文件区 交换区 (swaping): 以文件形式驻留在 disk 上 大小 = 所有进程的虚空间之和? ( 每个进程的虚空间都驻留在 disk 上 ) 按页与内存进行交换

13 页表 : 虚实映射 实现虚地址与内存地址或磁盘地址的映射 虚实页大小相等 OS 创建 : 每个进程一个, 存放于内存中 保证每个进程的不同虚拟地址不会映射到相同的物理地址! 同时运行的多个进程的物理内存尽量不要相互重叠! page table entry format 控制位 Valid: 装入 未装入页 :disk 地址 Dirty Count/Ref Access Rights read/write/modify 作用 : 页保护 page frame number (PFN) Disk address VPN is the index of the tab virtual page number (VPN) 页表含多少项? 多大?

14 Address Translation:TTW

15 例 :page table entry format & TTW

16 每页 size=4k 虚空间 16 页 (64k) 系统物理内存 4 页 (16K) 页表 16 个 entry, 每项对应逻辑地址空间的一个页 Frame 域表明了该逻辑页存储在哪一个物理页框中 本例, 虚存的第 0 页 : 逻辑地址 0000H~0FFFH 存储在内存的 1 号页框中, 物理地址为 1000H~1FFFH 例 : 虚拟地址 =0xxxH (a) 为页表 (b) 为对应的物理内存 物理页框 装入的虚存页号 虚页号 页内偏移 如果访问虚存 page A? 执行一条访存指令需访问几次存储器?

17 CPU 的访存操作 :Mapper pageframe Mapper:MMU+OS 实线 :MMU present = valid 虚线 :OS pagefault MMU 发出缺页中断

18 访存流程图 :( 无 TLB 和 Cache) 1.CPU 给出虚地址 2.Mapper( 查慢表 ) 3. 如果 Valid 并合法, 则访问 4. 如果 Invalid, 转 OS 异常 精确异常 原进程进入中断态? 缺页 or 非法 (abort) 5. 缺页 : 调 Disk 页 写回 替换? 读入请求页 : 启动 DMA?» 切换执行新进程? DMA 中断 : 请求页已读入 修改页表项 : 页框号 控制位 OS 切换回原进程 重启原进程产生缺页的指令

19 Steps in handling a page fault

20 页表 : 外页表, 内页表 页表 : 逻辑上一张, 通常分成两个表 虚页 = 内存页 = 磁盘块 ( 扇区 ) Block/frame/page disk map 外页表 : 虚页 <-> 磁盘扇区 辅存中 : 全部页, 按虚页号的顺序排列 在程序装入时生成 指示所有虚存页在 Disk 中的物理地址 (M 修改位 ) Page Table 内页表 : 虚页 <->Frame 内存中 : 指示虚存中的哪些页在主存中 程序 ( 进程 ) 初始化时 把外页表的内容复制到内页表物理页号字段中 缺页异常处理程序 : 由 Valid 位 /P 位指示 使用 disk map 定位磁盘中的页 : 从内页表的实页号字段中取出的正是辅存物理地址 当该页调入主存后, 其实页号字段被真正填入所在主存的实际页框号

21 PTBR: 页表在哪儿? PTBR holds the address of the page table. Page table base register Page table address + Virtual page number Virtual address from processor Offset Virtual address is interpreted as page number and offset. PTBR + virtual page number provide the entry of the page in the page table. PAGE TABLE This entry has the starting location of the page. Page table holds information about each page. This includes the starting address of the page in the main memory. Control bits Page frame in memory Page frame Offset Physical address in main memory

22 Single-Level Page Table: 一级太大! Virtual Address 31 value = x value = y 0 32 bits 2 20 Size of page table = 2 20 * 32 bits = 4 Mbytes x entries page table 2 12 entries Size of page = 2 12 * 8 bits = 4 Kbytes y data page frame page frame page frame 8 bits 例 :48-bit canonical form virtual addresses and 4 KB pages. On such a system, it would take 2^48 B / 2^12 B * 8 B = 2^39 B = 512 GB of storage just for the page table alone! 22/111

23 Two level Page Table Virtual Address value = x value = y value = z 0 x 2 10 entries Size of page directory = 2 10 * 32 bits = 4 Kbytes page directory 32 bits llxx@ustc.edu.cn y page table page table page table 32 bits 2 10 entries Size of page table = 2 10 * 32 bits = 4 Kbytes Size of page = 2 12 * 8 bits = 4 Kbytes z data page frame page frame page frame 8 bits 2 12 entries 23/111

24 页式虚存管理实现中的问题 虚存与物理内存映象规则 全相联 ( 冲突小 ) 写策略 : 一致性? 写回法 (copy-back):dirty 位 替换算法 : 主存页号主存地址空间虚存页号程序地址空间 FIFO,LRU(Count 位 ),NUR( 最近未使用,Ref 位 ) 异常 : 缺页 ( 页面失效 ), 非法访问 ( 权限 ) 在一条指令的执行过程中发生 切换到其它已就绪的任务 ( 进程 ): 后援寄存器 预测 重启缺页指令 : 提高查表速度 : 慢表 (page table)=> 快表 (TLB)

25 快表 TLB(Translation Look-aside Buffers) COD4 图 5-23 映射方式 :fully associative, direct mapped, set associative Tag:VA 页号 替换策略 : 随机,FIFO 控制位? Operation of Paging and TLB 流程

26 TLB 实现 Hit time: 0.5~1 clock cycle Miss penalty: 10~100 clock cycles Miss rate: 0.01% 1%

27 MMU(Memory Management Unit) 主要功能 虚实地址转换 不同进程的虚空间隔离 MMU 关掉时, 虚地址直接输出到物理地址总线 访问控制 : 共享内存 : 检查指令对当前页的访问权限, 别名 MMU fault 异常请求 : 缺页, 转换错, 非法访问, 数据对齐错 组成 :TLB,PTBR,AccessPermisionControl

28 MMU 工作过程 :MMU 使能 地址空间重定位 : 在激活一个进程时 OS 将该进程的页表基址填入 CPU 页表基址寄存器 (PTBR) 调用 TLB flush 指令, 将 TLB 数据置为无效 频繁切换 :MMU 可以锁定某些 TLB 项, 以提高特定地址变换速度 虚实地址映射 : 查 TLB TTW:TLB miss 软件法 :MMU 发出异常请求后, 由 OS 查询页表并填充 TLB 换出时, 需刷新 Cache 和 TLB 如 MIPS 4Ke 硬件法 :MMU 中设立专门的硬件完成页表查询和 TLB 填充 CISC 大多使用这种方案, 如 x86,arm11 MPCore Processor 发出 MMU 异常 缺页, 转换错, 非法访问, 数据对齐错 28/111

29 MMU,Cache,OS 物理地址 Cache DMA 虚地址 Cache: 快 ; 别名 (aliasing)

30 COD4 图 5-24

31 访存流程图 :MMU,Cache,OS Page fault? Illegal? COD4 图 5-25

32 访存异常 ( 见 COD4 图 5-26) 一次访存可能有三种 miss TLB miss cache miss page fault 事件组合 : 物理 Cache 后续处理?

33 MIPS CP0:TLBmiss 异常与缺页异常 TLBmiss 异常 ESR:12 个 clk Register 0~5, MMU Register 8, BadVAddr 入口 :0x tlbwr 指令使用 Context 查慢表 高 12 位为 PTBR 低 18 位为 BadVAddr 缺页 ESR:COD4 图 5-28 Register 13, Cause Register 14, EPC

34 OS Involvement with Paging Four times when OS involved with paging 1. Process creation determine program size create page table set PTBR 2. Process execution:context switch MMU reset PTBR for new process TLB flushed 频繁刷新 :Process ID 3. Process execution:page fault time determine virtual address causing fault swap target page out, needed page in 4. Process termination time release page table, pages 34

35 x86 例

36 虚存管理的性能 : 有效访存时间 EAT:effective memory access time 访存时间 *(1-P)+ 缺页处理时间 * P 缺页处理时间 = 读盘时间 + 写回时间 *q 访存时间 10ns 磁盘访问时间 5ms 缺页率 P Dirty 率 q

37 可用内存大小 用 used 减去 buffer 和 cache, 才是运行中的程序所占用的空间

38 小结 实方式下, 程序空间与物理空间对应 虚方式下, 每个进程有自己的虚空间 虚存的主要作用? 每个进程一个 ( 套 ) 页表, 由 OS 创建进程时创建 在辅存中保存进程的虚空间, 主存为虚空间的部分镜像 作业 :5.10.1, 选一 虚存管理哪些由硬件实现, 哪些由 OS 实现? MMU 中包含哪些模块? TLB miss 和缺页异常如何处理? 执行一条 load/store 指令需要访存几次? 思考 程序的虚地址空间与磁盘空间如何映射? 即 :swap 区是如何组织的? MMU 控制器如何实现? Cache 与 MMU 实现机制比较? 程序执行前,OS 要做什么? 系统启动时是实地址方式, 何时转为虚方式? 切换时发生了什么?

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